GENETICA.

12010 Enrique Castro

Regulación de la expresión génica: genoma y proteoma

Regulación de la expresión génica: genoma y proteoma

Funciones codificadas por genes humanos

Control génico:• Qué genes se expresan

• En qué momento

• Con qué pauta temporal

Regulación:40-50%

Tipos de genes:• Constitutivos

• Inducibles

• Represibles

Esquema de diferenciación tisular

Programas de diferenciación celular


Regulación de la expresión génicaRegulación de la expresión génica

Gen

Transcripción

Procesamientopost-transcripcional

Traducción

Modificaciones post-traducionales

Proteolisis

Hidrólisis del mRNA

nucleótidosTranscrito primario

mRNA maduro

Proteína(inactiva)

Proteína(activa)

aminoácidos

Funciones fisiológicas

Expresión génica

biosíntesis degradaciónEstado estacionario

Todos los procesos son

regulados


Control de la expresión génica en procariotas: operones bacterianos

Control de la expresión génica en procariotas: operones bacterianos

Proteína unida:transcripción bloqueada

Disociación: alivio de la inhibición

Nivel basal de transcripción elevado

Regulación por represión Proteínas de control simples

Organización génica en operones:Unidad de transcripción policistrónicaSecuencias de control únicasControl conjunto por represor

Acoplamiento Transcripción/Traducción:Regulación conjunta


Control génico en eucariotas: características generalesControl génico en eucariotas: características generales

Integración Control combinatorioControl alternativo

proteoma>>genoma

Mecanismo principal: control de la estimulación

de la iniciación

Transcripción(núcleo)

citoplasma

HistonasrRNA

Silenciamiento génico(epigenético)

Nivel basal de transcripción nulo Cromatina muy condensada Acceso al promotor restringido

Regulación por activación Organización jerárquica

Organización génica dispersa unidades de transcripción monocistrónicas Control individualizado de genes Señales de control múltiples Proteínas reguladoras complejas

Procesamiento del transcrito Variabilidad en splicing

Desacoplamiento transcripción/traducción Transporte al citosol regulado Regulación de la traducción Mecanismos de regulación

Dosis génica Metilación del DNA Condensación de la cromatina Control de la iniciación Regulación de la elongación/terminación Splicing alternativo Edición del mRNA Transporte nucleocitoplasmático Estabilidad del mRNA Interferencia génica (iRNA) Regulación de la síntesis de proteínas


Empaquetamiento DNA/Histonas:promotores inaccesibles a factores TAF, RNApol elementos reguladores

Para la transcripción, el DNA debe remodelarse sin llegar a desorganizarse

El empaquetamiento de los cromosomas metafásicos bloquea todo acceso al DNA

Condensación de la cromatina y transcripción Condensación de la cromatina y transcripción

Cromatina activa:• Pobre en H1• Poco metilada (CpG)• Rica en HMGs• Histonas acetiladas

Sensibilidad a la DNasa I(promotor: sitios hipersensibles)


El código de histonasEl código de histonasModificaciones conocidas de histonas

Efectos de la modificación


Cromatina condensada No hay transcripción

Cromatina relajadaSi hay transcripción

Acetilación de histonas: condensación de cromatinaAcetilación de histonas: condensación de cromatina

HAT

HDAC

Acetilación de histonas• Relaja unión DNA al nucleosoma• Promueve unión de TFs• Proporciona sitios de unión para reguladores

(unión a bromodominios)• Complejos de acetilación/desacetilación

DNA unido laxamente

Acetilación

Bromodominios se unen a Ac-histonas


Complejos reorganizadores de la cromatina Complejos reorganizadores de la cromatinaCambio conformacional

ATP-dependiente

HAT

HDAC

HAT

HDAC

actividad oligómeropCAF/SAGA HAT >20mSIN3 HDAC >10SWI/SNF Remodelado >11

Reclutados por transactivadores/ mediador/co-mod pCAF

mSIN3

Subunidades compartidas con Mediador/THIID

Actividades enzimáticas• Reorganización del nucleosoma• Acetilación de histonas

Reclutados por• Trans-moduladores• Co-moduladores• Mediador

HATsHDACs

Represión: Desacetilación

Ensamblaje: HATs B CAF1 (H3/H4) NAP1 (H2A/H2B)

Activación: Acetilación


Silenciamiento génico por metilación del DNASilenciamiento génico por metilación del DNA


Amplificadores: TransactivaciónAmplificadores: TransactivaciónElementos potenciadores Exones

intrones y UTRs-200 -30

-10 / -50 kb+10 / +50 kb

PIC Complejo de preiniciación GTFs + RNApolProteínas reguladoras unidas a

elementos de controlTransactivadores

Interacción activadora:Mediador/TFIID

Co-activadoresCo-represores

TFIID:•TBP•11 TAFs

Mediador:•>20 subunits•unido a CTD

•Se unen al PIC•Reclutan transactivadores•Reclutan remodeladores

Acción a distancia: Mecanismo de bucle

Unión a surco menor:curva en DNA dúplex

cooperativas


Amplificadores eucarióticos: elementos cis Amplificadores eucarióticos: elementos cis

Núcleo del promotor:(core promoter)

Próximo a +1 Unión de RNApolII

ATFGTGACGTATF

NF-κBGGGACTTTCCκB

Oct-1ATTTGCATOctámero

SP1GGGCGGGC boxC/EBP, CTF1GGCCAATCTCAAT box

factors. consensoelemento

RAR/RXRAGGTCAN5AGGTCARARE

GRAGAACAN3TGTTCTGRE

SRFSRF

AP-1TRE

CREBCREfactorsec. consensoHRE

•Todos los anteriores +•Elementos de respuesta

a hormonas choque térmico (HSTF)

•TATA•GC-box•Inr

Elementos proximales:Posición cercana (hasta -200 pb)Siempre 5’Orientación fijaAfectan al promotor inmediato

Amplificadores:Elementos distales (0.1-50 kb)5’, 3’ y en intronesOrientación bidireccionalControlan grupos de genes


Elementos trans: Factores de TranscripciónElementos trans: Factores de Transcripción

Dominios de unión a DNA (DBDs):α-hélice protrusiva Contactos con surco mayorUnión a secuencias específicasSin desaparear bases(sin desenrollar)

Muy conservados80% en tres categorías

•HTH•Dedos de Zn•bZIP

Función: Unión a elementos de control cis (DNA) Regular iniciación

Estructura: Modulares

D. unión a DNA (DBD)D. de activación (AD)Interacción proteína-proteína

Diméricos

AD DBD SP1

AD DBD LBD GR

DBD AD Gal4

reclutamientoactivaciónrepresión

N C

α-hélice ≈1.2 nm Surco 1.2 x 0.6-0.8 nm

No existe un código constanteImposible predecir secuencias

Integracióncombinatoria

surco menor

surco mayor


Estructuras de dominios DBDEstructuras de dominios DBDHomeodominio

Dedos de Zn

C2H2

Cx

≈20 aa

≈60 aa

≈30 aa

≈60 aa

SP1

NR

Interacción proteína-proteína

≈60 aa

bZIP:Cremalleras de leucina básicas

hélice-giro-hélice(HTH)


Dominios de transactivaciónDominios de transactivaciónDominios de transactivación:

Diversidad estructural Cambio conformacional por unión a DNA Interacción con co-activadores

(reclutamiento)

Tipos de dominios Acídico Rico en Q Rico en P Rico en S y T

Hidrofóbicos Básicos

Se pueden intercambiarmódulos en proteínas quiméricas

Ovillo α-hélice anfipática

Un dominio AD rico en P transactiva desde un elemento GC

Represión

muy potente promiscuo (todo tipo de genes)


TransrepresiónTransrepresión

Construcción del complejo de amplificación impedida

No hay transcripción

AP-1SRF

-1 kb

RepresorWT-1

Elementos de control

Esencial en el desarrolloTumores posteriormente

Ejemplo: tumores de Wilms

Inverso funcional de la trans-activación

Esencial para una red de control

Mecanismos de represión: Competición por unión al DNABloqueo de dominios ADBloqueo del reclutamiento de

•Co-activadores•TFIID/Mediador•GTFs

Reclutamiento de remodeladores compactación/desacetilación

Gen EGR-1


Mediadores del Mediador: coactivadores y corepresores

Mediadores del Mediador: coactivadores y corepresores

CBP/p300

TAFs

CAF

Med

Los transactivadoresNO se unen a PIC:Proteínas de intermediación

Remodelación

Unión a Histona-Ac(cromatina activa)

EstabilizaciónReclutamientoUnión a trans-moduladores

Unión a Inr etcpromotores sin TATA

Subunidades compartidas entre complejos TFIID/ Mediator/ pCAF(SAGA) etc

Papel Central

Red compleja de interacciones proteína-proteína

Co-moduladores: Centros de interacción (construcción del complejo proteíco)

Reclutamiento de otros factores(Remodelamiento/HAT)

TFIID/TAFs: Similar a histonasBromodominiosInteracciones proteína-proteínaReconocimiento de promotorConstrucción de PIC

Mediador: Multimérico (20 p)Interacciones proteína-proteínaReclutado sobre PIC-CTD

Co-activadores:N-CoA, CBP/p300Co-represores: N-CoR


Regulación génica: Integración cooperativa de señales

Regulación génica: Integración cooperativa de señales

Complejo multiproteico:“Enhanceosome” Potenciosoma?

Regulación del gen de la transtiretina en hepatocitos

Puntos de inicio alternativos Construcción por reclutamineto Construcción cooperativa

Generales +

específicos de tejido

GTFs

Compleja red de interacciones

Trans-moduladores

co-moduladores TFIID

Mediator

RNApol IIPIC

remodelación


Integración combinatoria de señalesIntegración combinatoria de señales

AP-1: combinacionesde fos/jun/otros

El orden puede ser significativo

Puede combinarse con represores

repeticionessimetría

Aumento factorial de las opciones de regulación Diméricos: Homo/Heterodimerización

Reconocimiento de señales cis

Interacciones proteína-proteína


Regulación de los factores de transcripciónRegulación de los factores de transcripciónRegulación de la unión al DNA por:

Expresión diferencial (inducción) Fosforilación/desfosforilación Unión de ligandos Localización/secuestro

inactivo

activo

PP

ATP

ADPP

P

P

inactivo

activo

Síntesis proteica

Unión de ligandos

Fosforilación/ desfosforilación Localización/ secuestro

CREBSRF

E2F/Rb NF-κB NF-AT Notch

proteolisiscitosol citosol

núcleo núcleo

fosjun

NR(ER,TR.RAR)La expresión génica

es controladapor señales celulares


Regulación génica: organización jerárquicaRegulación génica: organización jerárquica

Organización jerárquica: Cascadas de reguladores

Regulación alternativa: Varias rutas para cada gen Activación/represión coordinadas

No transcripciónSupresión de proteínas activasProteínas activas

Respuesta fisiológica celular

Señal

Activación del regulador primario

Uniónal DNA

(y otras acciones)

Expresión de un nuevo regulador que controla varios genes

Expresión de reguladores secundarios

Trans-activación Trans-represión


1 ER553

1 PR946

1 GR777

1 TR408

1 RAR432

1 VDR427<185 aa

>185 aa

SF. de Receptores Nucleares: zonas conservadasSF. de Receptores Nucleares: zonas conservadas

Largos: Homodímeros

unión DNA68-68 aa42-94%

unión ligando225-285 aa

15-57%

C D E FA/BH2N- -COOH

variable100-500 aa

DBD LBD

AF1 AF2CoR

CoA

Cortos: Heterodímeros


Estructura de Receptores NuclearesEstructura de Receptores Nucleares

DBD

LBD

“bisagra”

DNA

Reconocimiento de secuencias diana de DNAespecíficas

Unión de LigandoHomo/hetero-dimerizaciónTrasactivación trascripcional

Rotación de homo/herodímerosRepresión


C D E FA/BH2N- -COOH

C4

C5

caja P

caja D

Dedos de Zn: Unión al DNA

Estructura de los dominios DBD Estructura de los dominios DBDCaja D:Dimerización

Caja P:unión a hemi-elementohexámero HRE


(MR, PR, AR)

palindrómicos

secuencias consenso HRE

DR4

DR3

DR5

Unión al DNA: Elementos de Respuesta a Hormonas (HREs)Unión al DNA: Elementos de Respuesta a Hormonas (HREs)

Repetiticiones directas

GR dimérico

RXR TR

RAR

RXR

DR3

DR4

DR5

Espaciado impone geometría de dimerización


apo-LBD(desocupado) holo-LBD

(ocupado)Interfaz de dimerización,Heptadas hidrofóbicas H9-H10

vista axial

H10

H10

H9

H9

AF-2τc

φφXEφφ Bolsillo hidrofóbicounión LXXLL

LysGlu

Estructura del dominio de unión a ligandoEstructura del dominio de unión a ligando

Activación de receptores nucleares:Cambios conformacionales inducidos por ligando


Reclutamiento de comoduladoresReclutamiento de comoduladores

Familia p160: co-activadores• N-CoA / SRC1• GRIP1 / TIF2

Familia co-represores• N-CoR • SMRT

Unión a la bisagra

Unión de motivos LXXLL / AF-2

bHLH PAS Unión a NR Unión a CBP/p300

MotivosLXXLL

efecto hidrofóbicointeracción iónica


Inhibición por tamoxifenInhibición por tamoxifen

Motivo φφXEφφ fuera de lugar

ACTIVO

INACTIVO


R. glucocorticoides RAR

RXR

DR3 DR5

Receptores Nucleares: DimerizaciónReceptores Nucleares: Dimerización


Receptores nucleares: especificidadReceptores nucleares: especificidad

RXR silente RXR activo Orientación de hemisitios Espaciador Desviaciones de la secuencia consenso


Acciones de los Receptores nuclearesAcciones de los Receptores nucleares

ProliferaciónDiferenciaciónMorfogénesis

Proteínas de Respuesta secundariaProteínas de

Respuesta primaria

Acción

Activación de receptores nucleares

Unión al DNAtranscripción

Esteroides:Glucocorticoides: Reacción estrés, Gluconeogénesis, lipolisis

Mineralcorticoides: Transporte Na+, K+ y Cl- en riñón Andrógenos/estrógenos: C. sexuales, ciclo menstrualProgestágenos: gestación

Tiroideas: Metabolismo basal, desarrolloRetinoides (Vit. A): Retina, epitelios, morfogénesisVitamina D: Metabolismo del Ca2+ (intestino y hueso)

represión

activación

Factores de transcripción


Regulación transcripcional por R. NuclearesRegulación transcripcional por R. Nucleares


Controles de largo alcanceControles de largo alcance

ε: saco vitelinoγ:hígado fetalβ,δ:médula ósea adulta

LCR: compactaciónde la cromatina

Sólo activado en células eritroides

Cada gen tiene controles individuales

Actúan por unión de proteínas

Controles de grupos génicos• Afectan a grupos de genes coordinados• Remodelado de la cromatina

Aisladores (elementos frontera)• Limitan acción de amplificadores• Previenen efecto de posición

Deleción causa talasemia


Regulación de la expresión génica:Edición del mRNA maduro

Regulación de la expresión génica:Edición del mRNA maduro

conversión en codón stop

hígado intestino

No se une a LDL-RNo cede colesterol

Se une a LDL-RCede colesterol a tejidos periféricos

Dominio de unión a LDL-R

Desaminación:CUAI

Edición:Cambiar la secuencia del mRNA maduroMuy frecuente en mitocondrias y cloroplastos

Mecanismo de edición: Modificación de bases in situReconocimiento de secuencia por RNA

Apo-B100 (500 kD): hepatocitosApo-B48 (240 kD): intestino

iGluR(AMPA)Permeabiliadad al Ca2+

(plasticidad sináptica: memoria)

Apolipoproteína B


Estabilidad del mRNA: opciones de regulaciónEstabilidad del mRNA: opciones de regulación

Regulacion de la estabilidad del mRNA de TfR por Fe

IRE-BP activa (no Fe)protege de la degradación

Secuencias AUUUA repetidas en 3’UTRReconocimiento por nucleasas

mRNA

5’cap 3’ UTR 3’ Poli-A

Estable

Lábil

Señal de degradación rápida

Unión específica a secuencias de bucle IRE

Recambio constitutivo:mRNAs son muy estables en eucariotasDegradación por sistema enzimático específico

Degradación regulada: Aumento de degradación: señal 3’UTR

•citoquinas•Genes inmediatos tempranos

Aumento de estabilidad•sistema caseina/prolactina•sistema TfR/Hierro (IREs )


Degradación citosólica constitutiva del mRNADegradación citosólica constitutiva del mRNA

Degradación lenta progresiva de cola poli-A

Acelerada por señales de AUUUA en 3’UTR

Reclutamiento de endonucleasa específica

Señales codificadas en 5’UTR y 3’UTR

Recambio: vía acelerada

Recambio: vía principal


Regulación de la traducción: represión traduccionalRegulación de la traducción: represión traduccional

Fe disponible para Fe-enzimas

Fe secuestrado por ferritina

Elementos IRE en 5’ UTR

Unión de IRE-BP previene iniciación de traducción

No modifican degradación

Represores 3'UTR: Unión al mRNA, bloqueo de eIFs

Represores 5'UTR: Elementos IRE

Secuestro de eIF2: p-eIF2 unido a eIF2B Quinasa eIF2: HCR Co-regulación

globina-hemo


Insulina, mTOR y síntesis de proteínasInsulina, mTOR y síntesis de proteínas

mTORGL raptor

mTORGL rictor

PKB

eIF-4GPAB

eIF-4E

eIF-4A

Mnk1eIF-4E

eIF-4E

4E-BP

p70 S6K

eEF2-K

eEF2Subunidad

40S

rpS6P

4E-BPP P P

P

P PP

P

estimulación

actividadquinasa

Desfosfo-eEF2 activo elongación de

proteínas

X

Traducción 5'TOP mRNAsBiogénesis de ribosomas

raptor/rictor:Especificidad de sustratos

Otrasacciones

Complejo de iniciación (eIF3/mRNA) Ensamblaje de ribosoma funcional Traducción de 5'cap-mRNAs(genes estructurales: proteínas )

mRNA

ERKs

InsulinaInsulina promueve elcrecimiento celular

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